Елка толщиной в один атом изготовлена в Техническом университете Дании. Это исследование показывает, как измерения в терагерцовом диапазоне могут быть использованы для проверки качества графена.
Елка на фотографиях выше 14 сантиметров в длину. Поскольку она сделана из графена, она состоит только из атомов углерода одним слоем и имеет толщину всего лишь треть нанометра. Она вырезана из графена длиной 10 метров, перенесена цельным куском с помощью восстановленного ламинатора, а затем просканирована терагерцовым излучением.
Эксперимент показывает, что во время производства графена может осуществляться непрерывный контроль качества. Графен, как ожидается, будет играть важную роль в будущем высокоскоростной электроники, к примеру – в медицинских инструментах и датчиках.
Графен – так называемый двумерный материал – состоит из атомов в одном связном слое толщиной всего в один атом. Он прочнее, жестче и лучше проводит электричество и тепло, чем любой другой известный нам материал. Следовательно, графен – очевидный кандидат для создания электронных схем, которые занимают меньше места, меньше весят, гибки и более эффективны, чем те, которые мы знаем сегодня.
«Даже если бы вы могли нарисовать карандашом рождественскую елку и снять ее с бумаги – что, образно говоря, именно мы и сделали – она была бы намного толще одного атома. Бактерия, например, в 3000 раз толще слоя графена, который мы использовали. Вот почему я осмеливаюсь назвать это самой тонкой рождественской елкой в мире. "Рисунок" сделан в одном идеальном слое, цельным куском», - говорит профессор Питер Бёггильд (Peter Bøggild), возглавляющий команду экспериментов с рождественской елкой.
«За рождественской шуткой скрывается важный научный прорыв. Нам впервые удалось провести поточный контроль качества графенового слоя во время его переноса. Выполнение этого является ключом к получению стабильных, воспроизводимых и пригодных для использования свойств материала, что является предпосылкой для использования графена, например, в электронных схемах».
Графен можно «выращивать» на медной пленке при температуре около 1000 ° C. Но многое может пойти не так, когда ультратонкая графеновая пленка перемещается с медного ролика туда, где он используется. Поскольку графен в 30 000 раз тоньше кухонной пленки, это сложный процесс. Исследователь Абхай Шивайогиматх (Abhay Shivayogimath) был автором нескольких новых изобретений, обеспечивающих стабильный перенос слоев графена с медного ролика.
Более того, не существовало технологии, которая могла бы контролировать электрическое качество графена во время его передачи. В этом году Питер Бёггильд и его коллега профессор Питер Уд Джепсен (Peter Uhd Jepsen) из DTU Fotonik, один из ведущих мировых исследователей терагерцового диапазона, нашли способ сделать это.
Терагерцовые лучи - это высокочастотные радиоволны, которые находятся между инфракрасным излучением и микроволнами. Как и рентгеновские лучи, они могут использоваться для сканирования человеческих тел, что используется службой безопасности в аэропортах. Терагерцовые лучи также могут делать снимки электрического сопротивления графенового слоя. Подключив терагерцовый сканер к машине, которая переносит графеновую пленку, можно получить изображение электрических свойств пленки во время процесса переноса.
Официальный международный эталон измерений
«Предположим, необходимо ускорить реализацию графена и других 2D-материалов. В этом случае обязательным условием является постоянная гарантия качества», – рассказывает Питер Бёггильд. Наша разработка может гарантировать, что технологии на основе графена будут производиться более единообразно и предсказуемо с меньшим количеством ошибок. В этом году метод исследователей DTU был утвержден в качестве первого официального международного стандарта измерения графена. Их метод был описан ранее в этом году в статье «Терагерцовое изображение графена открывает путь к индустриализации».
«Графен и другие двумерные материалы, например, позволяют производить высокоскоростную электронику, выполняющую молниеносные вычисления с гораздо меньшим энергопотреблением, чем технологии, которые мы используем сегодня. Но прежде чем графен сможет получить более широкое распространение в промышленных масштабах и использоваться в электронике, мы сталкиваемся в повседневной жизни с тремя основными проблемами, требующими решения. Во-первых, цена слишком высока. Чтобы снизить цену, необходимо увеличить и ускорить производство. Но при этом вы сталкиваетесь со второй проблемой: когда вы увеличиваете скорость и не можете одновременно проверить качество. Риск ошибки также резко возрастает. При высокоскоростной передаче все должно быть настроено точно. Это подводит нас к третьей проблеме: как узнать, что является точным? Требуются замеры. И желательно измерения во время самого процесса передачи. Команда DTU убеждена, что лучший выбор для этого метода - контроль качества с помощью терагерцового излучения».
Питер Бёггильд подчеркивает, что эти три проблемы не могут быть решены одним только новым методом: «Мы сделали очень важный шаг. Мы превратили ламинатор в так называемую “систему переноса с ролика на ролик”. Он аккуратно приподнимает слой графена с медного ролика, на котором растет слой графена, и перемещает его на пластиковую фольгу, не ломая, не морщась и не пачкая. Когда мы объединяем это с терагерцовой системой, мы можем сразу увидеть, прошел ли процесс хорошо. То есть, есть ли у нас сплошной слой графена с низким электрическим сопротивлением».
Перевод: Макс Мотыльков.
Редактура: Александр Афанасьев.
